儲能技術在風力發電系統中的應用分析

蘭天

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽 110000

我國近些年來在輸電網絡的發展以及普及方面加大了投入力度，進一步推動我國能源戰略的發展。但是由于現階段我國關于風力發電機儲能控制系統的研究較為落后，導致電能利用率低、電能質量差、輸電效率差等問題依舊普遍存在，因此針對發電機儲能控制系統的研究有待進一步深入。因此本文以風力發電機儲能控制系統作為研究對象，具有十分重要的積極意義，開展儲能技術在風力發電系統中的應用分析，進而促使我國的電力產業獲得更加廣闊的發展空間和更加光明的發展前景[1]。

1 儲能技術在風力發電系統中的應用分析

由于風電的發電形式和風能的不穩定性決定了風電不能像水電火電那樣穩定應用，這時候人們就想把大風時候發的電存儲起來，留到風小的時候使用。風力發電是把風的動能轉為電能。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2．74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。很早就被人們利用——主要是通過風車來抽水、磨面等，而現在，人們感興趣的是如何利用風來發電，開展儲能技術在風力發電系統中的應用分析，主要可以將研究內容總結歸納如下：

1.1 風力電機的結構介紹

風力電機主要包括定子、轉子等組件，定子由定子鐵芯和定子繞組構成，轉子由鐵芯、儲能繞組、集電環、轉軸等幾部分構成，發電機即是指風力電機處于發電運行狀態，其具體結構如下圖所示。

風力電機運行的過程中，儲能繞組通入直流電流，其內部就會產生磁場，由原動機會拖動風力電機的轉子進行旋轉，相應的轉子的磁場也會發生旋轉。再這樣的情況下，定子電樞繞組就會切割磁感線，產生感應交流電動勢，其頻率和轉速以及極對數相關[2]。

風力電機作為發電設備，在電網中占據著十分重要的地位，其運行狀態直接影響著電力系統的動態性能，除了能夠提供電力能源外，風力電機在無功功率分配方面也發揮著一定的作用。

1.2 風力發電機儲能控制的基本原理分析

儲能系統是由發電機儲能電源和其他相關附屬設備構成的一個復雜體系，其大致可以分為主電路和儲能調節控制器兩個部分，具體如圖2所示，其中儲能功率單元為電源部分，主要作用是提供直流儲能電流。儲能調節控制器則負責管理儲能功率單元的輸出。

風力發電機儲能控制系統的作用主要有三點：其一，對電壓進行控制。在電力網絡運行的過程中，負荷是出于不斷變動中的，而負荷的波動則會引起發電機端電壓的變化，而儲能控制系統就負責對這種現象進行調解，盡可能的維持發電機的機端電壓，具體是通過增減儲能電流的方式達到效果。其二，對無功功率的分配進行控制[3]。當發電機和無窮大的電網并聯運行時，發電機端電壓基本上可以看作一個恒定值，發電機輸出的有功功率和頻率相關，和儲能電壓以及儲能電流無關，換而言之，儲能的變化不會對發電機輸出的有功功率產生影響。因此，當發電機的儲能電流發生變化時，只會改變無功功率和功率角的大小。其三，提高并聯運行的風力發單機的穩定性。電力系統運行于一個時刻存在各類個干擾的環境中，如果發電機能夠在受到擾動之后迅速恢復到原來的運行狀態或是過渡到一個新的運行狀態，即靜態穩定和暫態穩定，則可以判斷其具有良好的系統穩定性。

為了使上述作用得到充分的發揮，儲能控制系統需要滿足三個方面的要求：其一，具備最優化的電機功率因數。其二，擁有較強的抗電網電壓突變能力。其三，儲能系統應能夠快速滅磁。

1.3 風力發電機儲能控制系統模型

如圖3所示，典型的發電機儲能控制系統結構，系統運行主要可以分為電壓測量比較、綜合方法、功率單元、風力發電機等環節。

結合圖3來看，風力發電機的儲能控制系統主要包括三個單元，分別是測量比較單元、綜合放大單元以及整流單元。測量比較單元是采用比閉環設計的儲能系統不可缺少的一部分，其主要作用是對發電機運行過程中的機端電壓進行實時測量和獲取，并將實測的電壓值和基準值進行比對，獲得電壓偏差信號，最終送入到綜合放大單元。忽略比較電路的延時，可以使用以下傳遞函數對測量比較單元進行描述：

其中KR表示的是比例系數，TR表示的是測量單元時間常數。

很多情況下，測量比較單元輸出的信號功率偏小，無法達到直接驅動功率放大單元的效果，此時為了獲得滿足功率要求的控制信號，就必須對信號進行綜合放大處理，這就是綜合放大單元的作用。為了進一步強化儲能系統調節性能，通常會將各類控制算法引入該單元中，如增加響應速度、減少超調量等。綜合放大單元的傳遞函數如下：

其中KA為電壓放大系數，TA代表的是放大器的時間常數。

整流單元通常選用晶閘管，其在電路中的整流是不連續的，這使得整流輸出的電壓Ud和觸發脈沖控制信號Usm不風力，造成一定的延時，延時的長短取決于整流電路的整體結構，一般可以用電角度對其最大可能滯后時間進行描述。晶閘管最大可能的時滯時間可以表達為：

其中m代表的是控制相數，f代表的是電源頻率，在考慮時間滯后因素影響的情況下，整流電路的輸出電壓可以表達為：

ud=KZusm（t-TZ）

其中KZ代表的是觸發脈沖和輸出電壓間的放大系數，之后對上式進行拉氏變換可得：

Ud（s）=Kze-TZsuSM（s）

之后即可獲得整流單元的傳遞函數：

經泰勒展開并保留展開式中第一項等程序簡化后可得傳遞函數：

2 儲能技術在風力發電系統中的應用方法分析

把風能轉變為電能是風能利用中最基本的一種方式。風力發電機一般有風輪、發電機（包括裝置）、調向器（尾翼）、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。風力發電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，它把風的動能轉變為風輪軸的機械能[4]。發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉變為風輪旋轉的機械能。一般風力發電機的風輪由2個或3個葉片構成。在風力發電機中，已采用的發電機有3種，即直流發電機、同步交流發電機和異步交流發電機。以提供給發電機儲能電源的差異性作為依據，可以將發電機儲能系統分為直流儲能機系統、交流儲能機系統以及自勵式靜態儲能系三種類型。其中直流儲能機系統能夠產生獨立的儲能電流，具有較強的可靠性，其核心設備為專用的直流儲能機，采用和發電機同軸安裝的方式，通過滑環和固定的電刷，發電機的儲能繞組可以獲得直流電流。該系統的不足在于調節速度較為緩慢，且維護不方便，因此在大型發電機組中的應用較少。交流儲能機系統通常安裝在發電機軸上，由于輸出的是交流電流，因此必須增設整流環節。相較于直流儲能機系統，交流儲能機系統不具有電刷和滑環等部件，因此制造更加簡單，且運行可靠性更高，不足之處在于交流電勢的諧波分量過大且在運行的過程中會產生較大的噪聲。自勵式靜止儲能系統和上述兩種儲能系統存在本質的區別，其省略了儲能機，而是從發電機本身獲取儲能電源。自勵式靜止儲能主要包括自并勵和自復勵兩種形式，二者的區別在于儲能來源的種類不同，前者為一種，二者為兩種。在后一種形式下，發電機如果在運行過程中出現短路故障，大功率電流互感器會為發電機提供較大的儲能電流[5]。

儲能控制方式的發展和研究現狀。截止到目前為止，儲能控制方式的發展主要經歷了六個階段：首先，早期的古典儲能方式。最初的儲能控制是對單變量的儲能調節，具體是通過電機機端電壓的偏差信號，對其進行單一的比例P調節。這種方式在控制精度和穩定性等方面都存在著較大的缺陷，對此，人們提出了對電壓偏差值加上積分I和微分D解以解決問題，使得控制效果出現了一定幅度的提升，但仍舊無法同時滿足控制精度和系統穩定的需求。之后，人們提出了電力系統穩定器PSS，用于克服調節精度和穩定性之間的矛盾，但使用條件卻存在較大的限制，不僅需要預先整定好參數，而且要進行大量的實驗。

線性最優儲能控制方式。這是最優控制概念引入儲能控制領域誕生出的一種控制方式，相較于古典儲能方式，其能夠有效的解決系統不定性和時變性的問題，因此應用范圍更加廣泛。這種控制方式雖然能夠提供良好的控制效果，但必須在理想狀態下才能達成，原因在于其設計方面的局限性，且在抗干擾方面也稍顯不足[6]。

非線性儲能控制方式，為了解決現行控制器無法有效適應非理想系統的問題，人們提出了非線性的儲能控制器，這種空駛方式對于非線性和參數或是看狀態變化的系統具有極強的適應性，因為其原理是一種數學幾何結構的微分。但由于微分結合原理存在明顯的針對性，因此非線性儲能控制器只在參數明確的系統中具有顯著優勢，無法普遍適用于所有系統，在實用性上存在不足。此外，控制理論發展的局限性使得非線性儲能控制器在運用其他控制理論時嚴重受阻。

再次，自適應儲能控制方式。系統參數和運行方式在實際工作中會經常發生變動，人們針對這一特征提出了自適應儲能控制方式，即根據被控對象的實際情況對自身參數和控制規則進行適當的調整，這使得控制效果得到了大幅度的提升。由于這種控制器的參數需要對系統變化進行動態跟蹤，因此在一些特殊情況下，如控制對象處于短暫的電磁暫態過程時，需要進行大量的計算。

智能化儲能控制方式，這是一種信息時代提出的儲能控制類型，具體包括遺傳算法控制、專家控制、Fuzzy模糊控制、BP神經網絡控制等方法，其原理是根據事先編寫的智能概念，結合人類的推理經驗和直覺，達到自主學習、自適應、自整定以及可處理非線性等方面的效果，其優勢在于對精確數學模型的依賴性較小。但就現階段研究情況來看，其只在一些簡單系統中進行了實踐應用，大部分猜想都處于試驗和仿真階段[7]。

混合控制方式。上述提到的各種儲能控制方式均有其適用的領域，可以解決不同的問題，但是在儲能控制過程中通常會遇到一些比較復雜的問題，且難以通過單一的控制方式解決，這時就需要將多種磁力控制方式綜合應用，通過優勢互補，解決實際難題，這就誕生了混合控制方式。目前，在電力系統相關領域，混合控制方法已經取得了一些階段性的成果，如對直流線路故障測距采用的神經網絡和遺傳算法相混合的方法、對電網負荷經濟性優化采用的單純算法和粒子群算法相混合的方法等。混合控制方式的應用使得電網性能得到了更進一步的優化[8]。

3 結語

進行儲能技術在風力發電系統中的應用分析，實現儲能技術應用優勢在風力發電中的應用，可以實現我國風力發電整體水平的有效提升，進而為我國電力工程的整體發展奠定穩定的基礎。